Молекулярные механизмы памяти

СЕКЦИЯ 2
А.Н. РАДЧЕНКО
Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации РАН
[email protected]
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПАМЯТИ:
2. УПРАВЛЕНИЕ КОНСОЛИДАЦИЕЙ КЛАСТЕРОВ
МЕТАБОТРОПНЫХ РЕЦЕПТОРОВ
Аннотация
С целью изучения механизмов памяти исследованы переключения молекулярных триггеров, роль которых выполняют кластеры нейрорецепторов. Они расположены между синапсами и управляются химическими
и/или электрическими стимулами. Один из конформационных переходов
запускает метаболический процесс генерации эндогенного спайка. Совместное приложение химического и электрического стимулов позволяет
силам адгезии консолидировать кластер и перевести его в третье состояние. Здесь он теряет конформационно-гистерезисные свойства и становится элементом энграммы. В зависимости от мембранных потенциалов
неконсолидированные триггеры бистабильны или моностабильны, что
позволяет использовать их для записи и чтения соответственно.
Введение. Согласно современным данным [1, 2, 3, 4] действие синапсов не ограничивается синаптической щелью и генерацией ПСП. Синаптические медиаторы проникают и распространяются в нейроно-глиальных
щелях. Здесь эксцесс концентрации медиатора вызывает химический
конформационный переход (ХКП) кластера метаботропных рецепторов,
синтез второго посредника и эндогенную активность нейрона. Постсинаптические потенциалы (ПСП) смежных синапсов также вызывают деполяризационный или гиперполяризационный конформационный переходы
кластера (ДКП и ГКП соответственно).
Гистерезисные свойства конформаций. Важные детали ДКП и ХКП
и экспериментально найденных трех конформационных состояний рецептивного кластера, выявляются при анализе его вольт-конформационных
характеристик (ВКХ). Модель кластера [4] позволяет вывести ВКХ из и
баланса действующих на кластер электростатических Pe, упругих Pm и
химических Pc сил, Pe + Pm + Pc = 0, используя их оценки [5, 6]:
  k
0
  k 0
d
C 2 2
E 2

Y
ln
P

Pe =
, Pm = Y
,
.
c
 
 0  k 0

2
 0  k 0
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
100
СЕКЦИЯ 2
Здесь E – напряженность поля между ионизированными цепями боковых
групп белковых молекул,  – диэлектрическая проницаемость среды между решетками воротных зарядов,  и 0 текущее и начальное расстояния
между ними, k —ограничение конформационной подвижности ВЗ (k  1);
k0 – расстояние предельного сближения зарядов (уменьшается при
встраивании ионов Ca2+); Y — модуль Юнга для боковых цепей белковых
молекул и C – концентрация протонов. Третья формула не учитывает специфику взаимодействия медиатора с рецептором по принципу «ключзамок», но для нас важен лишь общий характер и направление действия.
Рис. 1. Баланс трансмембранных сил, действующих на рецептивный кластер. Полые стрелки показывают внутримембранное давление, управляющее конформациями ионного канала (ИК)
Рис. 1 поясняет баланс сил Pe + Pm + Pc = 0, их направление и создаваемое ими внутримембранное давление. Временно опуская в балансе химические силы, получим ВКХ вида:
1 k
B 2u 2  y 2 ln
,
yk
где u = V/V0 – относительная величина разности потенциалов на
гидрофильно-гидрофобных границах внутри БЛМ, y = /0 –
относительное расстояние между зарядами и B 2   E02 / 2Y .
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
101
СЕКЦИЯ 2
Зависимость y = f (Bu) (1), графически представленная на рис. 2, показывает, что с увеличением мембранного потенциала u заряженные подслои рецептивного кластера сближаются (уменьшается расстояние между
зарядами ), причем в позиции, отмеченной цифрой 3, происходит коллапс – гиперполяризационный конформационный переход (ГКП) в позицию 4. Дальнейшее увеличение u мало меняет расстояние между зарядами, и оно асимптотически приближается к k. Деполяризация мембраны
показывает, что возврат в разобщенную конформацию (деполяризационный конформационный переход – ДКП) происходит при меньшем мембранном потенциале, чем ГКП. Легко показать, что при k < 0.308 вольтконформационная характеристика (1) рецептивного кластера (ВКХ) содержит гистерезисный участок 1-2-3-4-1 (заштрихован). Его ширина зависит от ограничений на конформационную подвижность зарядов k. Она же
в свою очередь зависит от концентрации двухвалентных ионов, которые,
возможно, могут уменьшать k, встраиваясь между оппозитными решетками зарядов.
Рис. 2. Конформационные характеристики молекулярного триггера (рецептивного
кластера) в зависимости от мембранного потенциала (u) и конформационной подвижности воротных зарядов (1 – k)
В пределах гистерезисного участка рецептивный кластер действует
как молекулярный триггер. Его состояния «a» и «b» есть следствия деполяризационного и гиперполяризационного конформационных переходов (ДКП и ГКП) рецептивного кластера. В зависимости от мембранного потенциала (МП) и ограничений на подвижность ВЗ, свойства рецептивного кластера качественно меняются – от бистабильного
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
102
СЕКЦИЯ 2
триггера – область W (BuДКП < Bu <BuГКП) и одновибратора – область
R (Bu > BuГКП) к триггеру Шмитта (k = 0.308) и континууму монотонных ВКХ (k > 0.308).
ВКХ с учетом химических сил представлены на рис. 3. Они заданы
тремя параметрами – концентрацией медиатора C (С0 < C1 < … < C3),
мембранным потенциалом U. Ограничение на конформационную подвижность ВЗ и упругие свойства мембраны в данном случае фиксированы, k = 0.23, B = 0.5). Эти ВАХ показывают, что конформационные переходы рецептивного кластера можно вызывать разными способами – электрически или химически, т. е. ионотропно или хемотропно. Повышение
концентрации медиатора деформирует ВКХ, смещая ее вверх и вправо.
При пересечении уровня C1 возникает хемотропный конформационный
переход (ХКП). Это происходит при фиксированном мембранном потенциале U0. Освобождаемая энергия пропорциональна заштрихованной
площади гистерезисных петель. Она заметно больше при ХКП, чем при
ДКП. Этот прирост энергии обеспечивается за счет химического взаимодействия медиатора и рецепторов. Механизм ХКП принципиально
отличается от ДКП. Последний возникает в результате ослабления электростатической «пружины». Хемотропная деформация ВКХ возникает
вследствие дополнительного растягивания этой пружины от БЛМ. Затраченная на растяжение энергия добавляется к энергии ДКП, и в ХКП освобождается сумма этих энергий. Запуск эндогенного спайка делается более
уверенным, чем при ДКП.
Рис. 3. Изменения гистерезисной петли ВКХ рецептивного кластера и конформационного порога при увеличении концентрации протонов на внешней стороне
мембраны
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
103
СЕКЦИЯ 2
Перечислим свойства рецептивного кластера и их следствия.
1. Дискретные конформационные состояния соответствуют погруженным «a» и всплывшим «b» концевыми цепям рецептора на обеих сторонах БЛМ и соответственно повышению и понижению внутримембранного
давления, которое управляет конформациями ионных каналов (ГКП или
ХКП – закрытие, ДКП – открытие, см. рис. 5).
2. Конформационные состояния «a» и «b» соответствуют разным энергетическим уровням. В межуровневых переходах аккумулируется (ГКП)
и освобождается (ДКП, ХКП) энергия пропорциональная площади гистерезисной петли, зависящей от k. В случае ГКП скорость перехода
ограничена производительностью мембранного насоса, но в случае ДКП и
ХКП – ограничений нет. Поэтому ХКП и ДКП, активируя внутриклеточный реакционный центр, одновременно освобождают запасенную энергию в форме мощного кванта (фонон, конформон). Он запускает эндогенную деполяризацию клетки и генерацию спайка [7, 8, 9]. Эти энергетические свойства теряются при иммобилизации ВЗ, когда k  1, и гистерезисная петля исчезает.
3. Химически инициированный конформационный переход (ХКП)
освобождает более мощный квант энергии. Поэтому химические механизмы активации нейрона не менее важны, чем электрические. Они являются основными для эндогенного возбуждения нейрона.
Итак, рецептивный кластер, переключаясь между состояниями «a» и
«b», переходя далее в состояния «c» и «d» (см. рис. 2) и сохраняя эти негистерезисные конформации, может служить элементом памяти. При чтении энграмм ХКП легко тестирует конформацию кластера: гистерезисное
состояние вызывает эндогенный спайк, а монотонное – не вызывает. К
сожалению, мощные химические влияния не удается регистрировать. Более доступны для наблюдения электрические сигналы, но они выявляют
события на порядок менее значимые.
Переход в третье конформационное состояние и его разрушение.
Рис. 3 показывает, что конформационный переход a – b инициируется
превышением пороговой концентрации медиатора, C > C1. Это случается и
при фиксированном мембранном потенциале U0 в результате освобождения энергии пропорциональной площади гистерезисной петли (отмечена
точками).
В конформационном режиме R сразу по окончании стимула кластер
возвращается из «b» в состояние «a», а в режиме W – устойчиво задерживается в состоянии «b». Совместное действие электрического и химического стимулов усугубляет выталкивание частей рецептора из БЛМ. Пролонгация этого состояния включает в баланс поверхностные силы адгезии
и полимеризации [10, 11].Они смещают этот баланс так, что конформациУДК 004.032.26(06) Нейронные сети
104
СЕКЦИЯ 2
онные ограничения в кластере растут (+k на рис. 2). В процессе этого
преобразования, k  1, ВКХ кластера переходит границу k > 0.308 и становится монотонной. Такие кластеры могут выглядеть как «пэтчи», а после консолидации – как «шапки» [12]. Свойства кластера запасать и освобождать энергию (гистерезис) теряются, а электрическое сопротивление
возрастает. Итак, бифуркация возникает в конформации «b». Отсюда кластер может возвратиться в состояние «a», сохраняя гистерезисные свойства, или перейти в «с», где они теряются, и преобразование продолжается как «bcd». Возврат в исходное конформационное состояние соответствует записи «нуля» энграммы (ВПСП отсутствует), переход в монотонную конформацию соответствует записи «единицы» энграммы.
Рис. 4. Эволюция конформационных состояний рецептивного кластера согласно
ВКХ рис. 2 – 3: X – химическое действие, U – электрическое действие (ВПСП),
X + U – совмещение этих стимулов. Смещение мембранного потенциала в границах W и R-режимов задает нейронам режим записи (верхний канал) или чтения
(нижний канал). Одновременное выполнение этих функций возможно в нейронной популяции с разными конформационными режимами
Эволюция конформационных состояний кластера схематизирована на
рис. 4, где три конформационных состояния, «bc», «c» и «d», возникающие в результате совмещения химической селекции кластера X и электрического сигнала U (ВПСП), соответствуют памяти на текущие, недавние и отдаленные события. Давность событий определяет параметр
k в диапазоне 0.308 – 1. Кластеры в конформационном состоянии «a»
обеспечивают возможность записи новой информации и воспроизведения
ранее записанной.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
105
СЕКЦИЯ 2
Гиперполяризация клетки увеличивает электростатическое притяжение решеток воротных зарядов. По достижении потенциала «кондиционирования» [13] притяжение разрушает межрецепторые связи на поверхности БЛМ, возвращая воротным зарядам первоначальную конформационную подвижность k < 0.308 и гистерезисные свойства. Операция кондиционирования (стрелка –k на рис. 2), вызывает деинактивацию ИК.
Кондиционирование разрушает энграммы, вызывая амнезии. Можно
предположить, что так же действуют мощные гиперполяризационные полуволны эпилептического разряда. Они разрушают информацию в кратковременной и частично в долговременной памяти. Меньшие амплитуды
синхронной активности, например сонные ЭЭГ, стимулируют забывание
преимущественно в краткосрочной памяти. Полный конформационный
цикл рецептивного кластера представлен на рис. 5.
Рис. 5. Полный конформационный цикл рецептивного кластера. Скобы отмечают
уменьшение конформационной подвижности ВЗ силами адгезии и полимеризации. Встраивание Ca2+ между решетками ВЗ расширяет гистерезисную петлю
(механизм встраивания неизвестен)
Стратификация энграмм по возрасту. Чем дольше рецептивный
кластер удерживается в состояниях «bc-d», тем прочнее полимерные связи. Они уменьшают конформационную подвижность (k  1) и увеличивают модуль Юнга, уменьшая величину B в формуле (1). Форма ВКХ при
этом уплощается и граница кондиционирования смещается к большим
величинам ui. Эту особенность, представленную схемой рис. 6, следует
учитывать при замене координаты Bu на u. Поэтому консолидация, сопровождаемая увеличением k (адгезия) и уменьшением B (полимеризация),
стратифицирует энграммы по уровню потенциала кондиционирования.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
106
СЕКЦИЯ 2
Следуя [14], можно утверждать, что длительность таких консолидационных процессов – вся жизнь.
Рис. 6. Стратификации энграмм по величине потенциалов кондиционирования,
u0 < u1 < ....< ui, и их связь с параметрами k и B конформационного цикла
(рис. 6 и 7)
Старые энграммы будут устойчивее к разрушающим их гиперполяризационным смещениям МП, но в то же время они будут ближе к границе
кондиционирования, где амнестические процессы, индуцируемые гиперполяризационными полуволнами ритмической активности «заставляют
бледнеть изображения в кладовой памяти». Сначала разрушаются монотонные конформации кластеров у наиболее гиперполяризованных нейронов. Однако каждый информационный элемент энграммы S-кратно резервируется – записывается на S рассредоточенных кластерах [15, 16], принадлежащих нейронам разной локализации. Они приходят к границе кондиционирования не одновременно, поэтому разрушаются лишь отдельные
элементы энграмм, уменьшая кратность следа S, называемой также коэффициентом голографичности.
Список литературы
1. Agnati, L.F., Zoli, M., Stromberg, I., Fuxe, K. Intercellular communication in the brain:
Wiring versus volume transmission. // Neurosci. 1995. V. 69. P. 711-726.
2. Sykova E., Mazel T., Vargova L., Vorisek I., Prokopova-Kubinova S., 2000. Extracellular
space diffusion and pathological states. In Progress in Brain Research. Vol. 125. 155-178.
3. Nieuwenhius R.. Comparative aspects of volume transmission, with sidelight on other
forms of intercellular communication. Progress in Brain Research, 2000. V.125. Р.49-126.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
107
СЕКЦИЯ 2
4. Радченко А.Н. Молекулярные механизмы памяти: 1. Двухканальное управление конформациями метаботропных рецепторов // Нейроинформатика-2005. Сб. науч. тр. Ч. 1. С. 92.
5. Coster H.G.L., Kaplin I.J.. The effect of the pH on the OsO4-revealed structure of the
plasma of Chara Corolina. Biochem. and Bioph. Acta, 1973. V. 330. 141-146.
6. Coster H.G.L. Electromechanical stresses and the effect of pH on membrane structure.
BBA, 1975. V.382. 142-146.
7. Радченко А.Н. Гистерезисные свойства возбудимых мембран - основа нейронной
памяти // Биофизика. 1993. Т.38. Вып. 2. С.288-293.
8. Радченко А.Н. Ассоциативная память. Нейронные сети. Оптимизация нейропроцессоров. СПб.: Наука, 1998. 261 с.
9. Радченко А.Н. Межуровневые отношения в нейронной памяти: внесинаптическая
рецепция медиаторов, потенциация, спонтанная активность // Успехи физиологических наук.
2002. Т. 33. № 1. С.58-76.
10. Kloboucek A., Behrisch A., Faix J. and Sackmann E. Adhesion-Induced Receptor Segregation and Adhesion Plaque Formation: A Model Membrane Study. Biophys J. 1999. V. 77.
Р.2311-2328.
11. Smith S. O., Kawakami T., Liu W., Ziliox M., and Aimoto S. Helical Structure of Phospholamban in Membrane Bilayers, Journal of Molecular Biology 2001. 313(5). 1139-1148.
12. Бергельсон Л.Д. Мембраны, молекулы, клетки. М.: Наука, 1975.
13. Bezanilla F., Perozo E., Papazian D.M. Stefani E. Molecular basis of gating charge immobilization in Shaker potassium channels. Science. 1991. Vol. 254. № 5032. 679-683.
14. Вейн А.М., Каменецкая Б. И. Память человека. М.: Наука, 1973. 209 с.
15. Радченко А.Н. Оптимизация распределенной ассоциативной памяти со случайной
организацией // Биофизика. 1993. Т.38. Вып. 2. 294-299.
16. Радченко А. Н. Информационные механизмы нейронной памяти и модели амнезий.
СПб: Анатолия, 2002. 297 с.
УДК 004.032.26(06) Нейронные сети
108